Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Właściwości mechaniczne kompozytów narzędziowych z tlenku glinu, wzmacnianych węglikoazotkiem tytanu

Szutkowska M., Boniecki M., Podsiadło M., Kalinka A.

Mechanik

|

2018

|

R. 91, nr 5-6

438--442

PL

Przedstawiono właściwości mechaniczne kompozytów na osnowie z tlenku glinu, wzmacnianych Ti(C,N) w ilości 30% masy, wytworzonych na bazie proszków komercyjnych, o mikrometrycznych i nanometrycznych rozmiarach cząstek. Zastosowano bezciśnieniowe spiekanie PS w próżni i spiekanie reakcyjne SPS. Wykonano pomiary: twardości Vickersa, gęstości, modułu Younga i odporności na ścieranie. Odporność na pękanie (KIC) wyznaczono w temperaturze pokojowej i podwyższonej do 1073 K – charakterystycznej dla pracy narzędzia. Właściwości fizyczne i mechaniczne kompozytów Al2O3/Ti(C,N)/ZrO2, wytworzonych na bazie mikroproszków, porównano z właściwościami kompozytów zawierających proszki mieszane, mikrometryczne i nanometryczne, z udziałem proszków nanometrycznych od 17% do 36% masy. Kompozyty Al2O3/Ti(C,N)/ZrO2 z udziałem proszków nanometrycznych wykazują w temperaturze otoczenia niższe wartości KIC (o ok. 10÷30%) w porównaniu z kompozytami wytworzonymi na bazie proszków mikrometrycznych. Natomiast w temperaturze podwyższonej do 1073 K ich odporność na pękanie wzrasta nawet o 30%. Obserwacje mikrostruktury badanych kompozytów przeprowadzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.

EN

The present study reports mechanical properties obtained by reinforcing alumina composites with Ti(C,N) in amount 30 wt.% prepared on the basis micro and nanoscale trade powders. The pressureless sintering PS in a vacuum and SPS method of sintering were used. Vickers hardness, density, Young modulus, wear resistance were evaluated. Fracture toughness (KIC) at ambient and elevated temperatures up to 1073 K, characteristic for tool work was measured. Physical and mechanical properties of the composites Al2O3/Ti(C,N)/ZrO2 based on the powders in microscale were compared with composites containing nanoscale powders in a range from 17 to 36 wt.%. Tested composites with nanoscale powders content reveal lower KIC (approx. 10÷30%) at ambient temperature in comparison to composites based on powders in microscale. However, in the elevated temperatures their fracture toughness increases up to 30%. The observation of the microstructure of tested composites was carried out using scanning electron microscopy.

2

Spiekanie nanokrystalicznych faz azotkowo-borkowych

Wyżga P., Jaworska L., Bućko M.M., Szutkowska M., Klimczyk P.

Materiały Ceramiczne

|

2014

|

T. 66, nr 2

98--102

PL

Badania przedstawione w tym artykule opisują zagadnienia związane ze spiekaniem, głównie metodami ciśnieniowymi, i oceną kompozytów TiN-TiB2, otrzymanych z nanoproszków wykonanych przez różnych producentów, wykorzystujących różne metody syntezy. W pracy zastosowano sześć rodzajów nanoproszków komercyjnych, opierających się na fazach TiN oraz TiB2. Mieszanki kompozytowe zostały przygotowane w stosunku mas. 70% TiN : 30% TiB2 oraz 50% TiN : 50%TiB2. Wykazano silną zależność pomiędzy składem fazowym proszków a składem fazowym i właściwościami otrzymanych materiałów. Szczególnie niekorzystnym zjawiskiem jest tworzenie się miękkiej, heksagonalnej odmiany azotku boru, za którą odpowiada obecność w proszkach kwasu borowego w postaci sassolinu, który jest stosowany w produkcji dwuborku tytanu. Potwierdzono, że skład fazowy proszków bardzo silnie wpływa na przebieg procesu spiekania i sposób zagęszczania próbki. Krzywe spiekania dla badanych proszków nanometrycznych różnią się od tych rejestrowanych w przypadku tych samych składów kompozytu otrzymywanego z proszków mikrometrycznych. Stopień zagęszczenia mieszanek określony był na podstawie pomiarów gęstości i porowatości spieków kompozytowych. Przeprowadzono obserwację morfologii proszków i mikrostruktury spieczonych materiałów przy pomocy mikroskopii SEM i TEM. Analiza składu fazowego była wykonana metodą rentgenowską, natomiast badania składu chemicznego za pomocą spektrometru EDS. Największe wartości gęstości i twardości HV0,3 uzyskano w przypadku spieku wykonanego metodą SPS w temperaturze 1900 °C i czasie 5 minut przy ciśnieniu 35 MPa.

EN

The study presented in this paper describes issues related to pressure sintering and investigation of TiN-TiB2 composites obtained by using nanopowders originated from various producers. Six types of commercial powders that contained TiN and TiB2 phases were used. Composite mixtures of 70 wt.% TiN - 30 wt.% TiB2 and 50 wt.% TiN - 50 wt.% TiB2 were sintered. There was a strong correlation between the phase composition of the starting powders and the phase composition and properties of related sinters. The formation of hexagonal boron nitride was especially disadvantageous due to its low hardness, and resulted from the presence of remnants of sassolite (boric acid) in the titanium diboride powders. It was confirmed that the phase composition of the powders had a strong influence on the SPS sintering process and sample consolidation. This was proved by sintering curves registered by an SPS apparatus. The sintering curves for the nano-powders differed from the curves registered for micrometric powders. Density, hardness and Young’s modulus were the criteria of densification of powder mixtures. For characterization of the nanopowder morphology and the microstructure of the sintered bodies, transmission electron microscopy and scanning microscopy were used, respectively. Phase analysis was performed by the X-ray diffraction method, whereas chemical analysis was carried out by using an EDS spectrometer. The SPS sintered materials showed the highest value of density and the highest hardness HV0.3, when sintered at 35 MPa for 10 minutes at a temperature of 1900 °C.

3

The effect of TiC on structure and hardness of WC-Co composites prepared using various consolidation methods

Dutkiewicz J., Szutkowska M., Leśniewski W., Wieliczko P., Pieczara A., Rogal Ł.

Composites Theory and Practice

|

2014

|

R. 14, nr 2

91--95

EN

The additions of 5÷10 wt.% TiC to WC-Co industrial composites substituting WC were consolidated using either the Hot Isostatic Pressing (HIP) method at the temperature of 1320°C and pressure of 250 MPa, or using the Spark Plasma Sintering (SPS) method. The latter samples show a hardness increase from 1050 HV (without TiC) up to 1330 HV at 5% TiC. A larger addition of 10% TiC allows one to obtain a similar hardness increase as in the case of the 5% addition. A higher hardness of 1570 HV was observed for samples consolidated using HIP, which can be explained by the higher consolidation pressure of 1500 bars and temperature of 1350°C leading to a lower porosity. The crack formation behavior allowed the authors to determine the fracture toughness, KIC, in the range of 10.9÷11.2 MPam1/2 for the samples containing 0÷10% TiC. Three phases were identified using the X-ray diffraction method, as well as scanning and transmission electron microscopy. The major identified phase is WC particles separated by a narrow layer of Co and are accompanied by single particles of TiC. It indicates that TiC do not form a common solid solution with WC as also confirmed by EDS chemical analysis, which was suggested in literature.

PL

Zastosowano dodatki 5÷10% mas. do kompozytów przemysłowych WC-Co, co pozwoliło na zwiększenie ich twardości od HV30 = 1050 do 1330 HV przy zawartości 5% TiC konsolidowanych przy użyciu metody zgrzewania impulsowo-plazmowego (SPS). Podobny wzrost twardości osiągnięto przy zastosowaniu dodatku 10% TiC. Pomiary odporności na pękanie metodą pęknięć przy odciskach Vickersa pozwoliły na stwierdzenie minimalnego spadku odporności z zastosowaniem dodatku TiC z 11,2 do 10,9 MPam1/2. Stosując metodę prasowania izostatycznego HIP przy ciśnieniu 1500 barów w temperaturze 1350°C, uzyskano większy przyrost twardości do 1570 HV przypuszczalnie z uwagi na uzyskaną niższą porowatość. Zidentyfikowano, stosując metody dyfrakcji rentgenowskiej i analitycznej mikroskopii elektronowej skaningowej i transmisyjnej w spiekanych obiema metodami próbkach, trzy podstawowe fazy, a podstawową WC otoczoną cienką warstwą Co i dodatkowo pojedyncze wydzielenia TiC. Nie stwierdzono reakcji WC i TiC, co było sugerowane w literaturze, a co potwierdzono metodami mikroanalizy i dyfrakcji rentgenowskiej.

4

Tribological behaviour of AISI 316L steel after deposition of Ti-Si-C/Ti-B coatings by dual beam IBAD method

Twardowska A., Rajchel B., Szutkowska M., Zimowski S.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 4

382--385

EN

In this work, the results of mechanical and tribological properties examinations of AISI 316L with bilayered Ti-Si-C/Ti-B coatings deposited by dual beam IBAD method are presented. Nanoindentation test was conducted on coated and uncoated steel substrates using Berkovich-type diamond indenter under the load of 5 mN and 10 mN. Hardness HIT and Young modulus E were calculated using Olivier and Pharr method [1]. Single-pass scratch-test in pin-on-disc conﬁguration and multipass, bidirectional friction-wear test in ball-on-disc conﬁguration were applied to reveal the deformation and wear of the coated samples under non-lubricated sliding conditions. Parameters of DB IBAD process allowed to fonn Ti-Si-C/Ti-B dense, flat (Ra 8 nm) and thin coatings. The thickness of the coating was 3001500 nm, the thickness of the single layer in Ti-Si-C/Ti-B coatings was 150+200 nm. Raman spectra of the coated substrates were recorded at room temperature with laser beam length of 532 nm, working in low and high resolution mode. Analysis of recorded spectra revealed that all deposited coatings were multiphase. There were the peaks in position characteristic for Ti3SiC2 and TiB2 indicating the presence of these phases. Friction coefﬁcient of deposited coating on steel substrates was low, in the range of 0. 12÷0.23. Coatings were well adherent to substrates: critical loads LC1 and LC2 were evaluated as 2 N and 7 N, respectively. The surfaces of coatings were examined in the area of produced indentations, scratch and wear tracks by light microscope and atomic force microscope.

PL

Przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych i tribologicznych stali AISI 316L z powłoką Ti-Si-C/Ti-B nałożoną metodą dwuwiązkową IBAD. Na pokrytych i niepokrytych podłożach stalowych przeprowadzono testowi nanoindentacji przy użyciu diamentowego wgłębnika Berkovicha, pod obciążeniem 5 mN i 10 mN. Twardość HIT oraz moduł Younga E obliczono metodą Oliviera i Pharra [1]. Dla zbadania odkształcenia i zużycia w warunkach tarcia na sucho przeprowadzono próbę zarysowania powierzchni powłok (scratch-test) w układzie pin-on-disc oraz próbę zużycia w ruchu posuwisto-zwrotnym w konﬁguracji ball-on-disc. Parametry procesu dwuwiązkowego IBAD pozwoliły nałożyć gęste, gładkie (Ra 8 nm), cienkie powłoki typu Ti-Si-C/Ti-B. Grubość powłok wynosiła od 300 nm do 500 nm, grubość pojedynczej warstwy w powłoce - od 150 nm do 250 nm. Widma Ramana zarejestrowano z pokrytych podłoży w temperaturze pokojowej, stosując wiązkę światła laserowego o długości fali 532 nm, pracując w trybie niskiej i wysokiej rozdzielczości. Analiza zarejestrowanych widm wykazała, że wszystkie powłoki są wielofazowe. Występujące piki w pozycjach charakterystycznych dla Ti3SiC2 i TiB2 wskazały na obecność tych faz w powłokach. Współczynnik tarcia powierzchni stalowej z powłoką był niski: w zakresie 0,12÷0,23. Powłoki dobrze przylegały do podłoży: krytyczne obciążenie LC1 i LC2 wyniosły odpowiednio 2 N i 7 N. Powierzchnie powłok w obszarze pomiaru twardości, ścieżek zarysowania i zużycia zbadano przy użyciu mikroskopu świetlnego oraz mikroskopu sił atomowych.

5

Badania odporności na pękanie kompozytów ziarnistych na osnowie tlenku glinu przeznaczonych na ostrza narzędzi skrawających

Szutkowska M, Smuk B, Boniecki M

Mechanik

|

2012

|

R. 85, nr 7

569--573

6

Rozwój chorób grzybowych oraz plon bulw w uprawie ekologicznej i konwencjonalnej

Zarzyńska K., Szutkowska M.

Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering

|

2012

|

Vol. 57, nr 4

205-211

PL

W latach 2010-2011 w Instytucie Hodowli i Aklimatyzacji Roślin w Jadwisinie przeprowadzono badania dotyczące rozwoju dwóch chorób okresu wegetacji tj zarazy ziemniaka i alternariozy na plantacji ekologicznej i konwencjonalnej. Na plantacji ekologicznej aplikowano tylko fungicydy miedziowe, a na konwencjonalnej stosowano dwa poziomy ochrony, tj. ograniczoną: 3-4 zabiegi i intensywną: 6-7 zabiegów fungicydami syntetycznymi. Badano odmiany należące do różnych grup wczesności i różnej odporności na zarazę. Stwierdzono, że na rozwój chorób istotny wpływ miały wszystkie badane czynniki, tj. lata badań, system produkcji i wczesność odmian. Warunki termiczno-wilgotnościowe panujące w latach badań wpłynęły zarówno na termin pojawienia się pierwszych objawów alternariozy i zarazy ziemniaka, jak i na rozwój chorób. Rok 2010 sprzyjał rozwojowi alternariozy a 2011 rozwojowi zarazy. średnio dla lat badań szybciej obie choroby rozwijały się w systemie ekologicznym, a wolniej w konwencjonalnym z intensywną ochroną. Jednak tempo szerzenia zarazy na obu plantacjach zależało od presji patogena w danym roku. W roku ,,niezarazowym'' rozwój choroby na plantacji ekologicznej był na zbliżonym poziomie, jak w systemie konwencjonalnym. W roku ,,zarazowym'' różnice te były znacznie większe. Zarówno alternarioza, jak i zaraza ziemniaka rozwijały się najszybciej w grupie odmian wczesnych, o mniejszej odporności. Plon bulw był ściśle związany z nasileniem zarazy ziemniaka w poszczególnych systemach produkcji. Im szybsze tempo szerzenia się choroby, tym niższy plon bulw.

EN

In the years 2010-2011 at the Plant Breeding and Acclimatization Institute in Jadwisin the performed experiment aimed to comparison of development two potato plant diseases : early and late blight during vegetation period on organic and conventional plantations. Tested cultivars were from different maturity groups and different resistance to Phytophthora infestans. It was stated that the development of both diseases depended on all tested factors : years, crop production system and cultivar. Climatic conditions during vegetation period influenced the date of first symptoms as well as rate of diseases development. Year 2010 was favorable for early blight but year 2011 for late blight. On average, for two years disease development was faster under organic system but it was different in the years. In the year 2010 the rate of diseases development under organic and conventional system was similar but in 2011 it was much faster under organic system. Development of both diseases was quicker among very early and early cultivars. Tuber yield was strongly connected with intensity of late blight development. The faster disease development, the lower yield.

7

Fracture toughness of advanced alumina ceramics and alumina matrix composites used for cutting tool edges

Szutkowska M.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2012

|

Vol. 54, nr 2

202--210

EN

Purpose: Specific characteristics in fracture toughness measurements of advanced alumina ceramics and alumina matrix composites with particular reference to α-Al2O3, Al2O3-ZrO2, A2O3-ZrO2-TiC and AI2O3-Ti(C,N) has been presented. Design/methodology/approach: The present study reports fracture toughness obtained by means of the conventional method and direct measurements of the Vickers crack length (DCM method) of selected tool ceramics based on alumina: pure alumina, alumina-zirconia composite with unstabilized and stabilized zirconia, alumina-zirconia composite with addition of TiC and alumina-nitride-carbide titanium composite with 2wt% of zirconia. Specimens were prepared from submicro-scale trade powders. Vicker’s hardness (HV1), fracture toughness (KIC) at room temperature, the indentation fracture toughness, Young’s modulus and apparent density were also evaluated. The microstructure was observed by means of scanning electron microscopy (SEM). Findings: The lowest value of KIC is revealed by pure alumina ceramics. The addition of (10 wt%) unstabilized zirconia to alumina or a small amount (5 wt%) of TiC to alumina-zirconia composite improve fracture toughness of these ceramics in comparison to alumina ceramics. Alumina ceramics and alumina-zirconia ceramics reveal the pronounced character of R-curve because of an increasing dependence on crack growth resistance with crack extension as opposed to the titanium carbide-nitride reinforced composite based on alumina. R-curve has not been observed for this composite. Practical implications: The results show the method of fracture toughness improvement of alumina tool ceramics. Originality/value: Taking into account the values of fracture toughness a rational use of existing ceramic tools should be expected.

8

Diamond composites with nanoceramic boride bonding phases

Szutkowska M., Jaworska L., Rozums M., Klimczyk P., Bucko M.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2012

|

Vol. 53, nr 2

85-91

EN

Purpose: Basic mechanical properties of the studied tool composites and microstructure of diamond- titanium diboride composite, and diamond-titanium diboride-titanium nitride composite with participation of nanopowders have been presented. Design/methodology/approach: Composites were prepared on the basis diamond powders of 3-6 Μ (MDA36, Element Six) and the TiB2/TiN nanopowders of below 45 nm (Neomat Co. Lithuania firm) and nanopowder of TiB2 with size of crystallite below of 100 nm (American Elements firm). Different amount of a bonding phase changing in range from 10 to 30 wt% was used. Compacts in the shape of disc with dimension ∅15x5 mm were sintered at pressure 8.0�}0.2 GPa and temperature of 2235 K using the Bridgman type apparatus. Microstructure studies using scanning microscope, X-ray and electron diffraction phase analysis were used. Findings: The influence of the bonding phase amount on the tested properties was observed. Vicker�fs hardness HV1 was changed in the range from 20.0 to 50.0 GPa, Young�fs modulus (E) from 360 to 600 GPa and density (�Ď) from 3.30 to 3.63 g/cm3. The highest values of Vickers hardness and Young�fs modulus were obtained for diamond composites sintered with 10 wt% TiB2 of bonding phase. Practical implications: In this work the effect of reduction powder size from submicron scale to nano scale of two ceramic bonding phases: titanium diboride and titanium diboride-nitride in diamond composites on selected mechanical properties has been reported. The results show that using of the TiB2 powders in nano scale size increase the Vicker�fs hardness about 30 wt% in comparison to using of the TiB2/TiN phase. Originality/value: These investigations allow enhance possibility of using this materials as burnishing tools and rational use of existing ceramic tools.

9

Selected mechanical properties and microstructure of Al2O3ZrO2nano ceramic composites

Szutkowska M., Smuk B., Kalinka A., Czechowski K., Bućko M., Boniecki M.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2011

|

Vol. 48, nr 1

58--63

EN

Purpose: Basic mechanical properties of the studied tool materials and microstructure of alumina-zirconia ceramic composites with fraction of nanopowders have been presented. Design/methodology/approach: The present study reports selected properties obtained by reinforcing Al2O3 with 15 wt% ZrO2 (partially stabilized with Y2O3-Y5) and, non-stabilized zirconia. Specimens were prepared based on submicro- and nano-scale trade powders. Vickers hardness (HV1), wear resistance and fracture toughness (KIC) at room and elevated temperatures characteristic for tool work were evaluated. Microstructure was observed by means of a scanning electron microscopy (SEM). Preliminary industrial cutting tests in the turning of higher-quality carbon steel C45 grade were carried out. Findings: The addition of nanopowders does not result in a significant improvement in fracture toughness at room temperature. A reduction in fracture toughness of KIC(ET) by approximately 20% is observed at elevated temperature (1073 K) for the specimen only with submicro powders in comparison to that at room temperature. Addition of the powder mixture in submicron and nano scale size reveals the minor reduction of fracture toughness (up to 10%) at elevated temperature. Practical implications: The results show that using of powders in submicron and nano scale size not improve the tool life but influences the fracture toughness et elevated temperatures. Originality/value: The results of the presented investigations allow rational use of existing ceramic tools.

10

Ceramiczne tworzywa narzędziowe z udziałem faz nanometrycznych

Jaworska L., Szutkowska M., Smuk B., Klimczyk P., Królicka B.

Mechanik

|

2010

|

R. 83, nr 4

275-279

PL

Na podstawie wyników badań własnych przeprowadzono analizę zjawisk i zagrożeń dotyczących spiekania ceramicznych nanoproszków. Przedstawiono wyniki spiekania swobodnego i wysokociśnieniowego trzech tworzyw kompozytowych z udziałem nanoproszków. Zaprezentowano trzy grupy materiałów: o osnowie Si3N4, Al203 oraz o osnowie diamentu.

EN

Analysis of the phenomena and hazards related to the process of sintering ceramic nano powders and ceramic materials containing nano powders were carried out with reference to the home investigation. Presented are the alternative free and high pressure sintering operations on composites containing nano powders. These materials were split into three groups: material one with Si3N4 matrix, material two with Al203 matrix and material three with diamond matrix.

11

Platforma E4 - narzędzie IT pomocne w zarządzaniu projektowaniem i wytwarzaniem nowoczesnych produktów

Szutkowska M., Skrabalak G.

Mechanik

|

2008

|

R. 81, nr 10

866-867

12

Crack growth resistance of Al2O3-ZrO2(nano) (12 mol% CeO2) ceramics

Szutkowska M., Boniecki M.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2007

|

Vol. 22, nr 1

41-44

EN

Purpose: Alumina-zirconia ceramics with nano 12 mol% CeO2 stabilized ZrO2 were presented as new ceramics with improvement fracture behavior: better crack growth resistance and limited susceptibility to slow crack growth. This ceramics exhibits good cutting properties. Design/methodology/approach: The controlled crack growth of specimens with double notch was carried with using Zwick testing machine. The specimens with double notch were loaded with rate of 1micrometre min to the -1. The loading of the specimens has been broken at the moment of crack propagation. The procedure has been repeated many times up to obtaining definite increase of crack length. In situ observation of crack growth from notch up to failure was possible due to special device with microscopical objective heads in vertical configuration coupled with CCD camera fitted to Zwick 1446 testing machine. A load-relaxation technique method was used for determination a relationship of a crack growth velocity (v) versus stress intensity factor (KI) and calculation the parameters of SCG. Findings: Many newly developed ceramics that are designed for high-temperature applications or electronic devices possess a low crack growth resistance. It is a drawback in widely usage of these materials in industry. Application of the ZrO2nano stabilized with 12 mol% CeO2 in alumina-zirconia ceramics improves the fracture toughness and decreases the susceptibility to slow crack growth in comparison to pure alumina ceramics. Observation of the controlled crack growth in the tested ceramics reveals the existence of increasing R-curve in the alumina-zirconia ceramics with nano ceria stabilized zirconia. Practical implications: Due to improvement of fracture behavior of the alumina-zirconia ceramics with nano12 mol% CeO2 stabilized ZrO2 could be used in "dry cutting" machining. Originality/value: A combination of in situ microscopic long-through thickness crack growth observation during three point bending (3PB) of a single edge notched beam (SENB) enabled measurement of the R-curve. In presented work a new load relaxation method was worked out for determination susceptibility tested ceramics to slow crack growth.

13

Application of indentation-strength in bending medhods for KIC evaluation of alumina ceramics

Szutkowska M., Boniecki M., Sałbut L.

Inżynieria Materiałowa

|

2007

|

Vol. 28, nr 3-4

219-223

EN

The modified indentation-strength methods for determination of the fracture toughness by measurement an indentation induced controlled Vickers crack growth in bending (ICVC) and bending stress of a specimen with Vickers cracks (ISB) were presented. The external stress field a was applied to the indented specimen in the indentation induced controlled Vickers crack growth in bending method (ICVC). Thus the total stress intensity factor KT (known as the effective fracture toughness) is the sum of the residual stress intensity factor KRD and the applied stress intensity factor KA. The fracture toughness KIC and the dimensionless parameter % characterizing the integrated effect of the residual indentation stress field nearby the Vickers indent were determined from the slope and the intercept of the interpolating function respectively. The relationship of in-plane and out of plane displacements and strains near the Vickers indentation and cracks with the K!C was analyzed. The grating interferometry method was used for this purpose.

PL

Zostały przedstawione zmodyfikowane wgłębnikowo-wytrzymałościowe metody wyznaczania odporności na pękanie przy stabilnym wzroście pęknięć Vickersa podczas próby zginania (ICVC) i poprzez pomiar naprężenia zginającego próbki z pęknięciami Vickersa (ISB). Przy stabilnym wzroście pęknięć Vickersa próbka z naniesionymi pęknięciami Vickersa (metoda ICVC) została poddana zewnętrznemu polu naprężeń a. Wówczas całkowity współczynnik intensywności naprężeń KT (znany jako efektywna odporność na pękanie) jest sumą szczątkowego współczynnika intensywności naprężeń KRD i współczynnika intensywności naprężeń KA pochodzącego od przyłożonego naprężenia. Odporność na pękanie wyznaczono z nachylenia prostej a współczynnik charakteryzujący pole naprężeń szczątkowych x w otoczeniu odcisku Vickersa z przecięcia prostej z osią rzędnych. Analizowano zależność przemieszczenia i odkształcenia w płaszczyźnie i poza płaszczyzną w otoczeniu odcisku Vickersa oraz pęknięć. Do tego celu zastosowano metodę interferometrii siatkowej.

14

Subcritical crack growth of alumina matrix ceramics

Szutkowska M., Boniecki M., Pędzich Z., Bućko M.

Inżynieria Materiałowa

|

2006

|

Vol. 27, nr 3

658-661

EN

The ”load-relaxation technique” was used for determination of relationship of stress intensity factor versus crack growth velocity. The single-edge-notched specimens (SENB) in three-point bending test were used. The crack length after relaxation ck, stress intensity factor at the moment of crack growth initiation KI0, parameters of the subcritical crack growth n and log A, maximum values of stress intensity factor KImax and work of fracture (WOF) were determined. A study of subcritical crack growth of Al2O3 -10 wt% ZrO2 with 12 mol% CeO2 stabilized ZrO2 nanoparticles ceramics was carried. For comparison the results of subcritical crack growth (SCG) test of Al2O3 -10 wt% ZrO2 with unstabilized ZrO2 were presented as well.

PL

Do wyznaczenia zależności współczynnika intensywności naprężeń KI od prędkości wzrostu pęknięcia zastosowano metodę „obciążeniowo-relaksacyjną”. Zastosowano próbki typu SENB w kształcie belki z karbem. Wyznaczono długość pęknięcia po relaksacji ck współczynnik intensywności naprężeń, przy którym rozpoczyna sie rozwój pęknięć podkrytycznych KI0, wartość maksymalną współczynnika intensywności naprężeń KImax parametry wzrostu pęknięć podkrytycznych n i log A, oraz prace pękania WOF. Badania przeprowadzono dla spieku ceramicznego Al2O3-10% masy ZrO2 z dodatkiem nanocząstek ZrO2 stabilizowanego 12 mol.% CeO2. Dla porównania przedstawiono wyniki uzyskane z badań podkrytycznego wzrostu pęknięć dla spieku ceramicznego Al2O3-10% masy ZrO2 z dodatkiem ZrO2 niestabilizowanego.

15

Odporność na pękanie spieków ceramicznych stosowanych na ostrza narzędzi skrawających

Szutkowska M.

Prace Instytutu Obróbki Skrawaniem. Zeszyty Naukowe

|

2005

|

nr 85

1-126

PL

W pracy przestawiono problematykę pomiaru odporności na pękanie spieków ceramicznych na przykładzie spieku alfa-Al2O3 i kompozytu ziarnistego z układu Al2O3-ZrO2. W ramach badań własnych wyznaczono odporność na pękanie według różnych metod pomiarowych. Przeprowadzone obliczenia i pomiary własne pozwalają na weryfikację i ocenę przydatności zaproponowanych metod do wyznaczania KIC dla reprezentatywnych spieków ceramicznych, stosowanych na ostrza narzędzi skrawających. Odporność na pękanie wyznaczono w oparciu o bezpośredni pomiar długości pęknięć powstających w narożach odcisku wgłębnika twardości Vickersa przy zastosowaniu różnej siły obciążającej wgłębnik. Obliczenia porównawcze odporności na pękanie KIC wykonano według wzorów zaproponowanych przez różnych autorów. Odporność na pękanie otrzymano również stosując zmodyfikowaną metodę bezpośredniego pomiaru długości pęknięć Vickersa, podczas ich stabilnego wzrostu, na powierzchni próbki w kształcie belki poddanej trójpunktowemu statycznemu zginaniu. Według tej metody określono współczynnik chi, charakteryzujący koncentrację naprężeń szczątkowych, wytworzonych w otoczeniu odcisku wgłębnika twardości Vickersa. Obserwacje przemieszczeń i odkształceń w płaszczyźnie oraz pozapłaszczyznowych przeprowadzono przy zastosowaniu interferometrii siatkowej. Odporność na pękanie wyznaczono także metodą wgłębnikowo-wytrzymałościową, podczas niestabilnego rozwoju pęknięć. Wartości KIC otrzymane z bezpośredniego pomiaru długości pęknięć Vickersa porównano z wartościami KIC otrzymanymi metodą konwencjonalną na próbkach typu SENB (ang. Single Edge Notched Beam) z pojedynczym karbem w kształcie "U", wytworzonym na drodze mechanicznej. Podczas stabilnego rozwoju pęknięć prowadzono też badania zachowania się krzywych R, charakteryzujących zmianę KR ze wzrostem pęknięcia. Określono parametry podkrytycznego wzrostu pęknięcia. Zbadano odporność materiału na wykruszenia powstające pod wpływem działania pęknięć bocznych, przy różnych wartościach sił obciążających wgłębnik twardości Vickersa. Próby eksploatacyjne przeprowadzono w procesie skrawania przy użyciu płytek wieloostrzowych, wykonanych z kompozytu ziarnistego z układu Al2O3-10% masy ZrO2N* (ZrO2 niestabilizowany), charakteryzującego się najwyższą odpornością na pękanie. Zastosowane płytki wykazały dobre właściwości użytkowe badanego materiału. Wyniki otrzymane z analizy badań pozwalają na ocenę przydatności spieków ceramicznych na ostrza narzędzi skrawających. Rozwiązanie przedstawionego problemu badawczego ma duże znaczenie technologiczno-produkcyjne, gdyż pozwala na wprowadzenie wiarygodnej kontroli jakości wyrobów narzędziowych i stwarza "narzędzie" do dalszych badań technologicznych w zakresie specjalnych spieków ceramicznych stosowanych do obróbki skrawaniem.

EN

A specific characteristic in fracture toughness measurement of advanced ceramics with particular reference to alpha-Al2O3 and Al2O3-ZrO2 composites has been presented. Own investigations determined the fracture toughness according to various methods. The carried out analysis and own measurements allow verifying and evaluating the usefulness of the proposed methods to determine the KIC of the representative cutting ceramics. Fracture toughness has been determined from direct measurement of the crack length, developed during the Vickers indentation test, as a function of indenter's load. Comparative calculations of the fracture toughness KIC have been performed according to analytical approaches proposed by different researchers authors. The modified method of direct crack measurement has also been used for determination of the fracture toughness. The method is based on the observation of the controlled crack growth on the tensile surface of the beam in the static three point bending test. According to this method the coefficient of the chi characterizing the residual indentation stress concentration around the Vickers hardness indent has been determined. Observations of in-plane and normal (out of plane) displacements and strains were made on using interferometry method. The fracture toughness was assessed by means of indentation strength in bending (ISB) method during unstable crack extension. The values of the KIC from Vickers cracks were compared with those obtained by conventional method on the mechanically notched specimen type SENB (Single Edge Notched Beam) with single "U" type notch. Further, investigations of R-curve behaviour, characterising change of KR with the crack growth were extended, during stable growth of cracks. The parameters of subcritical crack growth were determined. Chipping compliance of the advanced ceramics under different loads applied to the Vickers hardness indenter was tested. Operation tests made in cutting conditions using indexable inserts produced with Al2O3-10 wt.% ZrO2 N* (unstabilised ZrO2), have exhibited the highest fracture toughness. The tested inserts have offered better functional properties of these materials. Results, obtained from analysis, permit to evaluate ceramics usefulness for cutting tools edges. The research results allow not only introducing the reliable quality assurance of tools but also offering intelligent and practical technique for further technological investigations of the range of special tool ceramics.

16

Modyfikacja powierzchni spieku ceramicznego Alfa-Al203 w procesie dyfuzji i poprzez implantację jonową

Szutkowska M., Danielewski M., Raichel B., Proniewicz L., Kasina J.

Inżynieria Materiałowa

|

2005

|

Vol. 26, nr 5

338-341

PL

Zbadano wpływ wysokotemperaturowego wyżarzania dyfuzyjnego płytek skrawających ze spieku ceramicznego Alfa-Al203 w proszku Zr02, oraz wpływ implantacji jonowej Zr na ich wlaściwości mechaniczne. Wyżarzanie dyfuzyjne prowadzono z zastosowaniem Zr02 niestabilizowanego i stabilizowanego Y203 przy zmiennym czasie wyżarzania. W wyniku procesu dyfuzji zostala utworzona warstwa wierzchnia wzbogacona w Zr02 o grubości 150-200 µm. Określono skład chemiczny i fazowy otrzymanej warstwy wierzchniej. Dla płytek poddanych wyżarzaniu dyfuzyjnemu w proszku Zr02 z zastosowaniem dłuższego czasu wytrzymania zaobserwowano wzrost odporności na pękanie, wytrzymałości na zginanie i obniżenie współczynnika tarcia. W procesie implantacji jonami cyrkonu otrzymano warstwę wierzchnią wzbogaconą w Zr o grubości znacznie mniejszej (okolo 1,5 µm) w porównaniu z procesem dyfuzyjnym. Grubość oraz skład chemiczny warstwy wierzchniej uzyskanej techniką IBSD oraz IBAD analizowano za pomocą widma RBS. Przeprowadzono również ocenę trwałości badanych płytek podczas próby skrawania.

EN

The diffusional modification of the surface layer of the sintered alumina ceramic inserts is presented. The alumina inserts are subjected to the diffusional annealing in a zirconia powder at high temperature. The reactive diffusion of Zr into the polycrystalline alumina at temperatures considerably lower than sintering temperature results in formation of the layer enriched in zirconia of thickness 150-200 µm. The chemical and phase composition of thermally modified inserts were studied. The surface modification results in the improvement of microhardness, tribological properties, indentation facture toughness and transverse rupture strength of tested material. The Zr implan tation into the alumina inserts produces in the two order of magnitude thinner layer enriched in Zr (˜1.5 µm). Thickness and chemical composition of the IBSD and IBAD surface layer was analysed by means of the RBS spectra. The tool life of the sintered alumina inserts after diffusion process in comparision to the trade sintered alumina inserts was tested.

17

Indentation fracture toughness of ceramics based on alumina

Szutkowska M.

Inżynieria Materiałowa

|

2004

|

R. XXV, nr 3

290-293

EN

Indentation technique based upon direct measurement of Vickers crack length as a function of indentation loading force was used for determination of the fracture toughness (K(IC)). Comparative calculations of the fracture toughness have been performed according to selected equations (as being representative) proposed by various authors. The carried out calculations and own measurements allow to verify and evaluate the usefulness of the proposed method in determining the K(IC) for ceramics based on alumina. The crack profile as a function of both the applied loading force and properties of material were observed. Chipping compliance was tested as well.

PL

Technika punktowego wciskania wgłębnika twardości Vickersa w badany materiał została wykorzystana do pomiaru odporności na pękanie (K(IC)). Odporność na pękanie wyznaczono w oparciu o bezpośredni pomiar długości pęknięć powstających w narożach odcisku twardości Vickersa, przy zastosowaniu różnej siły obciążającej wgłębnik. Obliczenia porównawcze odporności na pękanie K(IC) wykonano według wzorów zaproponowanych przez różnych autorów. Przeprowadzone obliczenia i pomiary własne pozwoliły na weryfikację i ocenę przydatności zaproponowanych metod do wyznaczania K(IC) dla ceramiki na bazie tlenku glinu. Przeprowadzono obserwację kształtu pęknięć w zależności od zastosowanej siły obciążającej wgłębnik i rodzaju materiału. Zbadano również podatność tworzywa ceramicznego na wykruszenia.

18

Twadość Vickersa i odporność na pękanie wybranych kompozytów ceramicznych

Pędzich Z., Piekarczyk J., Stobierski L., Szutkowska M., Walat E.

Kompozyty

|

2003

|

R. 3, nr 7

296-300

PL

Praca prezentuje wyniki badań twardości Vickersa i odporności na kruche pękanie takich faz ceramicznych, jak alfa-Al2O3, tetragonalne polikrysztaly ZrO2, SiC, Ti3SiC2 oraz kompozytów na osnowie tych faz. Stwierdzono, że wartość mierzonych twardości rośnie ze wzrostem obciążenia, do ustalenia pewnej wartości stałej. Porównano wyniki pomiarów współczynnika KIc uzyskane dwoma metodami - poprzez badanie wytrzymałości na zginanie próbek z nacictym karbem (SENB - Single Edge Notched Beam) oraz przez pomiar parametrów odcisków i pęknięć wywołanych w materiale nakłuwaniem piramidką Vickersa. Uzyskane rezultaty pozwalają wnioskować co do możliwości porównywania wartości współczynnika odporności na pękanie otrzymanych obiema metodami. Określają również zakresy obciążeń, w których możliwe jest stosowanie metody nakłuć dla poszczególnych materiałów.

EN

The paper presents results of the Vickers hardness and the fracture toughness investigations of several materials: a-alumina (a-Al2O3), yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystals (TZP), silicon carbide (SiC), titanium-silicon carbide (Ti3SiC2) and composites on their matrix. It was established that values of Vickers hardness measured under the lowest loads are significantly lower that values achieved under higher loads (see Fig. 3). They also show big values of standard deviation. The results of KIc investigations (see Fig. 4 and Table 1) show that one mustn't to apply indentation method uncritically. Measured KIc values strongly depend on used loads, especially under loads when cracks started to appear. At this range measured KIc values reach extremely high level. They decrease with load increase. It is obvious that it is necessary to select the proper load for each material. The conformity between two methods of KIc measurements (indentation and SENB) is different for investigated materials. Relatively the best conformity is achieved for oxide materials and composites on their matrixes (especially for zirconiaj. Application of the indentation method for Ti3SiC2-based materials gave the worst conformity of results with these achieved by SENB method. It is probably due to very complicated way of cracking in these materials.

19

Ocena odporności na pękanie kompozytu Al2O3-ZrO2 metodą kontrolowanego rozwoju pęknięć

Szutkowska M., Boniecki M.

Kompozyty

|

2003

|

R. 3, nr 8

439-443

PL

Wyznaczono odporność na pękanie K(Ic) oraz parametr charakteryzujący pole naprężeń szczątkowych wokół odcisku po próbie twardości Vickersa, dla kompozytu Al2O3-ZrO2 i porównawczo dla ceramiki tlenkowej Al2O3. Zastosowano metodę wprowadzania kontrolowanych pęknięć wstępnych, wytwarzanych podczas wciskania wgłebnika twardości Vickersa w badany materiał. Wartości K(Ic) porównano z danymi otrzymanymi z badań własnych, metodą konwencjonalną, podczas trójpunktowego statycznego zginania próbek typu SENB w kształcie belek z karbem naciętym mechanicznie. Przeprowadzono obserwacje zachowania się krzywych R podczas kontrolowanego rozwoju pęknięć dla obu prezentowanych metod.

EN

Fracture toughness K(Ic) and dimensionless parameter characterizing the integrated effect of the residual indentation stress field over the half-penny crack for the Al2O3-ZrO2 composite and comparatively for alumina ceramics has been determined. Indentation induced crack growth in bending based on controlled precracks generated by indentation of Vickers hardness indenter into tested material was used. These K(Ic) values with data obtained from own measurements by means of conventional method based on static three-point bending of SENB bends mechanically notched were compared. The relations of K(R) versus crack length c (R curve) for alumina ceramics and alumina-zirconia composite were revealed only for conventional method.

20

Badania krzywych w materiałach narzędziowych - tworzywie tlenkowym i kompozycie tlenkowo-węglikowo-azotkowym

Szutkowska M., Boniecki M.

Kompozyty

|

2002

|

R. 2, nr 5

378-383

PL

Przedstawiono badania zachowania się krzywych R podczas kontrolowanego rozwoju pęknięć tworzywa tlenkowego i kompozytu tlenkowo-węglikowo-azotkowego (Al2O3+TiC+TiN). Zbiory punktów, otrzymane podczas pomiaru KI w funkcji długości pęknięcia, opisano równaniem prostej. Wielkość współczynnika kierunkowego prostej ma wpływ na zachowanie się krzywych R. Zmierzono parametry rozwoju pęknięć podkrytycznych n i log/4, prace pękania WOF, współczynnik intensywności naprężeń, przy którym rozpoczyna się rozwój pęknięć podkrytycznych KIi. Pomiary odporności na pękanie przeprowadzono na próbkach w kształcie belek o przekroju prostokątnym, z podwójnie naciętym karbem, poddanych trójpunktowemu statycznemu zginaniu.

EN

In spite of many attractive properties of alumina ceramics the main drawbacks are brittleness, week resistance of thermal shock and subcritical crack extension. This fact can also be expressed in low resistance against crack extension, which is characterized by the fracture toughness. Fracture toughness is the commonly parameter used to measure the resistance to brittle crack propagation, but many tool ceramic materials exhibit R-curve behaviour in which the critical stress intensity factor increases with crack length. The fracture toughness and relations of K, versus crack length c (R-curve) for alumina ceramics and oxide-carbide-nitride composite with addition of 2% wt. zirconia were tested. Behaviour of the fracture toughness with crack extension was determined by means of the experimental method on the basis of the three-point bending (3PB). These specimens with wide polished side surface and vacuum evaporated thin aluminium layer (about 150 nm thick) were notched. An initial 0.9 mm deep notch was produced by diamond saw (0.20 mm thick) and then the notch tip was sharpened manually a razor blade (0.025 mm thick) up to deep 1.1 mm. The controlled crack growth of specimens with double notch was carried with using Zwick testing machine with speed of 1 um/min. The loading of the specimens has been broken at the moment of crack propagation. The procedure has been repeated many times up to obtaining definite increase of crack length. Individual stages of crack growth at given load has been observed on the computer screen. When the crack length (including length of double notch) has achieved^ value 2.5 mm the test has been interrupted. The observation of the controlled crack growth reveals the existence of increasing R-curve in the pure alumina ceramics. Addition of TiC-TiN with 2% wt. zirconia limits the occurrence of R-curve. It suggests disappearing of bridging mechanism responsible for appearance of R-curvc. The investigations of subcritical crack growth have indicated two times greater fracture energy and slightly greater resistance to crack initiation for the oxide-carbide-nitride composite.